Строительные материалы и изделия

Задание 1

       Вариант 1

       Вопрос 1: Какие существуют способы повышения долговечности природного камня в конструкциях и сооружениях?

       Ответ: Непременным условием длительной службы каменных материалов в сооружениях является правильный их выбор с учетом эксплуатационной среды, химико-минералогического состава  и структуры материала. Однако даже самые прочные породы, из которых выполнен материал, под механическими и химическими воздействиями атмосферных факторов различных микроорганизмов разрушаются. Этот процесс по аналогии с разрушением металлов называют коррозией.

       Основной  причиной коррозии каменных материалов в строительных конструкциях является физико-химическое воздействие воды.  Это воздействие проявляется  в растворяющей способности воды, особенно если она содержит растворенные газы (СО2, SО2  и др.); в замерзании воды в порах и трещинах, сопровождающемся появлением в материале больших внутренних напряжений. Кроме того, резкое изменение температуры приводит к появлению на поверхности камня, особенно из полиминеральных пород, микротрещин, которые становятся очагами разрушения. Различные микроорганизмы и растения (мхи, лишайники), поселяясь в порах и трещинах камня, извлекают для своего питания щелочные соли и выделяют органические кислоты, вызывающие биологическое разрушение камня.

       Следовательно, стойкость каменных материалов против коррозии тем выше, чем они плотнее (меньше пористость) и чем меньше их растворимость. Поэтому все  мероприятия по защите каменных материалов от коррозии направлены на предохранение их от воздействия воды и на повышение поверхностной плотности. Эти меры могут быть конструктивными и физико-химическими.

       Конструктивная  защита от увлажнения осуществляется путем устройства надлежащих стоков воды, придания каменным материалам гладкой полированной поверхности и такой формы, при которых вода, попадающая на них, не задерживается и не проникает внутрь материала.

       Физико-химические мероприятия заключаются в создании на лицевой поверхности камня плотного водонепроницаемого слоя или ее гидрофобизации. Одним из способов повышения поверхностной плотности является флюатирование, при котором карбонатные породы пропитывают солями кремнефтористоводородной кислоты (флюатами), например флюатами магния. В результате происходящей реакции: 

       2СаСО3  +  MgSiF6  = 2CaF2  + SiO2  +  2CO2 

в поверхностных  порах камня выделяются практически  не растворимые в воде фториды  кальция, магния и кремнезем.   Это уменьшает пористость и водопоглащение поверхностного слоя и несколько препятствует загрязнению облицовки пылью.  Некарбонатные пористые породы предварительно обрабатывают водными растворами кальциевых солей, например хлористым кальцием, а после просушки – содой, а затем флюатом.

       Уплотнить поверхность камня можно также  последовательной пропиткой растворимым  стеклом и хлористым кальцием, в результате взаимодействия которых образуются нерастворимые силикат кальция и кремнекислота, закрывающие поры. Эта же цель достигается при последовательной пропитке поверхности камня спиртовым раствором калийного мыла и уксуснокислого алюминия. В этом случае на поверхности камня образуется нерастворимая пленка соли жирной кислоты.

       Гидрофобизация, т.е. пропитка пористого каменного материала гидрофобными  (водоотталкивающими) составами, препятствующими проникновению влаги в материал, также повышает их стойкость против выветривания. Хорошие результаты дает пропитка кремнийорганическими жидкостями и другими полимерными материалами, а также растворами парафина, стеарина или металлических мыл (алюминиевого, цинкового и др.) в легкоиспаряющихся органических растворителях (бензине, лаковом керосине и т.д.)

       Вопрос 2:   Охарактеризуйте керамические изделия специального назначения.

       Ответ:   Керамика – собирательное название широкой группы каменных материалов, получаемых формованием из глиняных смесей с минеральными и органическими добавками с последующей сушкой и обжигом. К специальным видам керамических материалов в первую очередь можно отнести санитарно-техническую керамику.  Раковины, унитазы, трубы, химическую посуду, и т.п. изготавливают из фаянса и фарфора.

       Фаянс – разновидность тонкой керамики, получаемая из беложгущихся глин (60…65%), кварца (30…35%) и полевого шпата (3…5%). Отформованное из пластичной массы и высушенное изделие подвергают первичному обжигу при температуре 1250…1280 градусов, после чего на его поверхность наносят глазурную массу и производят повторный обжиг при температуре 1050…1150 градусов для глазурования. Глазурование фаянса необходимо, так как он имеет пористый черепок (П=20…25%) и высокое водопоглащение.

       Фарфор – изделия тонкой керамики с плотным черепком – получают также из беложгущихся глин (около 50%) но с большим содержанием полевых шпатов (20…24%) и меньшим содержанием кварца (20…25%).

       Физико-механические свойства фарфора и фаянса:

       Керамические  санитарно-технические изделия отличаются декоративностью, универсальной химической стойкостью. Недостаток таких изделий  – хрупкость.

       Канализационные трубы – изготавливают из пластичных тугоплавких глин и покрывают глазурью снаружи и изнутри, что обеспечивает их полную водонепроницаемость, химическую стойкость и высокую пропускную способность. Такие трубы выдерживают гидростатическое давление более 0,2 МПа.

       Керамические  трубы имеют небольшую длину (800…1200 мм), большой диаметр (150…600 мм), соединяются с помощью раструбов, отформованных на одном конце каждой трубы.

       Дренажные трубы – изготавливают из кирпичных высокопластичных глин.  Гладкие неглазурованные, фильтрующие через свою толщу или глазурованные с раструбами и перфорацией на стенках. Используются для мелиоративных работ.

       Клинкерный (дорожный) кирпич изготавливают из тугоплавких глин обжигом до полного спекания. Он имеет меньшие размеры (220х110х65 мм), чем обычный кирпич, низкое водопоглащение (2…6%), высокую прочность при сжатии (40…100 МПа) и морозостойкость не менее F100. Такой кирпич используют для мощения дорог и тротуаров, устройства полов промышленных зданий, кладки канализационных коллекторов.

       Огнеупорные материалы получают по керамической технологии из различных сырьевых компонентов. Их разделяют на огнеупорные ( температура размягчения 1580…1770  град), высокоогнеупорные (1770…2000 град) и высшей огнеупорности ( более 2000 град). В зависимости от химико-минерального состава огнеупоры могут быть кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиальные, хромитовые, графитовые (углеродистые).

       Наибольшее  применение в строительстве имеют  кремнеземистые и алюмосиликатные  огнеупоры.

       Кремнеземистые  огнеупоры (основной компонент SiO2) по строению могут быть стеклообразные (кварцевое стекло – хорошо работает до 1000 градусов) и кристаллические (динасовые огнеупоры – 1600…1700 град). Их применяют для сводов стеклоплавильных и стекловаренных печей.

       Алюмосиликатные огнеупоры делят на три группы: полукислые, шамотные и высокоглиноземистые.

       Полукислые  огнеупоры изготавливают обжигом  кварцевых пород на глиняной связке (содержание  SiO2 более 65%,  Al2O3 менее 28%). Огнеупорность – 1580…1700 градусов.

       Шамотные  огнеупоры получают обжигом смеси  шамота и огнеупорной глины. Они  содержат 30…35%  Al2O3.  Отличаются термостойкостью и шлакоустойчивостью. Огнеупорность таких материалов до 1500 градусов. Применяются в стекловаренной и цементной промышленности.

       Высокоглиноземистые огнеупоры содержат более 45%  Al2O3, получают из бокситов. Их огнеупорность увеличивается с повышением содержания   Al2O3  и при 60% и более глинозема составляет 2000 градусов. Применяют для кладки доменных и стекловаренных печей.

       Для обеспечения высокотемпературной  тепловой изоляции выпускают легковесные  огнеупоры с плотностью 400…1300 кг/м3 и пористостью соответственно 85…45%. Использование легковесных огнеупоров существенно снижает расход топлива (в 2-3 раза) и продолжительность разогрева  печей (в 3-4 раза).

       Вопрос 3:   Опишите основные свойства строительного стекла.

       Ответ:  Стеклами называют переохлажденные жидкости, не успевшие при остывании перейти в кристаллическое состояние. Иными словами, стекла – это жидкости, имеющие бесконечно большую вязкость. Последнее и придает им многие свойства твердого тела. В отличие от истинно твердых тел стекла при нагревании не плавятся, а размягчаются, постепенно переходя в пластичное, а затем и в жидкое  состояние. При охлаждении процесс идет в обратной последовательности. Еще одна отличительная черта стекол – изотропность – одинаковость свойств во всех направлениях.

       Современное стекольное производство включает в  себя три этапа: подготовка сырья, стекловарение  и формование стеклоизделий. Химический состав обыкновенного оконного стекла по основным оксидам следующий: кремнезем (SiO2 – 71…72%), оксид натрия (Na2O – 15…16%), оксид кальция (CaO – 5…7%), оксид магния (MgO – 3…4%), глинозем (Al2O3 – 2…3%) и оксид железа (Fe2О3 – не более 0,1%). Эти компоненты вводятся в сырьевую шихту при подготовке сырья к стекловарению в виде следующих материалов: кремнезем в виде кварцевого песка, молотых кварцитов или песчаников; глинозем в виде полевых шпатов и каолина; оксид натрия в виде соды и сульфата натрия; оксид кальция и магния в виде мела, мрамора, известняка, доломита и магнезита; в специальные стекла вводят оксиды бора, свинца, бария и др.

       Для получения строительного стекла используют вытяжку, прокат, прессование. Основной вид строительного стекла – листовое.

       Силикатные  стекла отличаются необычным сочетанием свойств, высокой прочностью и ярко-выраженной хрупкостью, свето- и радиопрозрачностью, абсолютной водонепроницаемостью и универсальной химической стойкостью. Все это объясняется спецификой состава и строения стекла.

       Плотность стекла зависит от химического состава и для обычных строительных стекол составляет 2400…2600 кг/м3. Плотность оконного стекла – 2550 кг/м3. Пористость и водопоглащение стекла практически равны 0%.

       Стекло  в строительных конструкциях чаще подвергается изгибу, растяжению и удару и реже сжатию, поэтому главными показателями, определяющими его механические свойства,  следует считать прочность при растяжении и хрупкость. Теоретическая прочность стекла при растяжении – 10000…12000 МПа. Практически же эта величина ниже в 200…300 раз и составляет от 30 до 60 МПа. Сильно снижают прочность стекла на растяжение царапины – на этом основана резка стекла алмазом. Прочность стекла при сжатии высока – 900…1000 МПа, т.е. почти как у стали и чугуна. В диапазоне температур от -50 до +70 градусов прочность стекла практически не изменяется. При нагружении оно подчиняется закону Гука вплоть до хрупкого разрушения. Модуль упругости стекла Е = 70000…75000 МПа.

       Хрупкость – главный недостаток стекла. Основной показатель хрупкости – отношение модуля упругости к прочности при растяжении. У стекла оно составляет 1300…1500 (у стали – 400…600, у каучука – 0,4…0,6). Кроме того, однородность строения стекла способствует беспрепятственному развитию трещин, что является необходимым условием для проявления хрупкости.

       Твердость стекла, представляющего собой по химическому составу вещество, близкое к полевым шпатам, такая же, как у этих минералов, и в зависимости от химического состава находится в пределах 5…7 по шкале Мооса.

       Оптические  свойства стекла характеризуются светопропусканием (прозрачностью), светопреломлением, отражением, рассеиванием и др. Обычные силикатные стекла, кроме специальных,  пропускают всю видимую часть спектра (до 88…92%) и практически не пропускают ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла (коэф.преломления = 1,50…1,52) определяет силу отраженного света и светопропускание стекла при разных углах падения света. При изменении угла падения света с 0 до 75 градусов светопропускание стекла уменьшается с 90 до 50%.